(57)【要約】【課題】ガス中の特定成分の濃度を検出するための濃度検出装置において、フューエルカット時においても該濃度検出装置を正常に機能させる。【解決手段】ガス中の特定成分の濃度を該特定成分の分解時に生成される酸素の量に基づいて検出する濃度検出装置において、上記特定成分を分解して酸素を生成する酸素生成手段１６，１０と、該酸素生成手段により酸素が生成される前にガス中の酸素を該ガスから排出する酸素排出手段７，８と、上記酸素生成手段により酸素が生成される前のガス中の酸素濃度の上昇割合が予め定められた割合よりも大きくなるときに上記酸素排出手段の酸素排出能力を増大する酸素排出能力増大手段とを具備する。【選択図】      図１
2005061884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス中の特定成分の濃度を該特定成分の分解時に生成される酸素の量に基づいて検出する濃度検出装置において、上記特定成分を分解して酸素を生成する酸素生成手段と、該酸素生成手段により酸素が生成される前にガス中の酸素を該ガスから排出する酸素排出手段と、上記酸素生成手段により酸素が生成される前のガス中の酸素濃度の上昇割合が予め定められた割合よりも大きくなるときに上記酸素排出手段の酸素排出能力を増大する酸素排出能力増大手段とを具備することを特徴とする濃度検出装置。
【請求項２】
上記酸素排出手段の酸素排出能力が該酸素排出手段に印加される電圧の値に応じて変化し、上記酸素排出能力増大手段による上記酸素排出手段の酸素排出能力の増大後、上記酸素排出手段に印加される電圧の値がガス中の酸素濃度に応じて制御され、該酸素排出能力増大手段による酸素排出手段の酸素排出能力の増大後に上記酸素排出手段に印加される電圧の値に基づいて上記酸素排出能力増大手段による酸素排出手段の酸素排出能力の増大の程度が決定されることを特徴とする請求項１に記載の濃度検出装置。
【請求項３】
上記酸素生成手段によって酸素が生成された後のガス中の酸素濃度に応じて発生する電流値に基づいてガス中の特定成分の濃度を算出する濃度算出手段と、上記酸素生成手段により酸素が生成される前のガス中の酸素濃度の上昇割合が予め定められた割合よりも大きくなるときに上記ガス中の酸素濃度に応じて発生する電流値に基づいて上記濃度算出手段における算出誤差を補正するための係数を算出する手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載の濃度検出装置。
【請求項４】
当該濃度検出装置が内燃機関から排出される排気ガスを通すための排気通路に配置されており、上記ガスが内燃機関から排出される排気ガスであり、内燃機関に燃料が供給されないときに上記酸素生成手段により酸素が生成される前のガス中の酸素濃度の上昇割合が予め定められた割合よりも大きくなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の濃度検出装置。
【請求項５】
上記特定成分が窒素酸化物またはアンモニアであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は濃度検出装置に関し、特に、内燃機関から排出される排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出する濃度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１に、内燃機関から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出し、該検出された酸素濃度から空燃比を算出（検出）する空燃比検出装置が開示されている。この特許文献１記載の空燃比検出装置は、排気ガス中の酸素を外部に汲み出すための一対の電極（当該特許文献１では、ポンプ電極と称されており、それぞれ、参照符号１２，１３が付されている）を具備する。この空燃比検出装置では、上記電極間に電圧が印加されると、排気ガス中の酸素が外部に汲み出され、このとき、排気ガス中の酸素濃度に応じて、上記電極間に印加される電圧の値が制御されるようになっている。
【０００３】
このように、特許文献１記載の空燃比検出装置では、排気ガス中の酸素濃度に応じた値の電圧が上記電極間に印加されるのであるが、当該特許文献１によれば、内燃機関が通常の運転状態にあるとき（すなわち、内燃機関に燃料が供給されない運転状態を除く運転状態にあるときであって、以下「機関通常運転時」という）には、これら電極間に印加される電圧の値は一定の値よりも小さい値に維持されるようになっており、したがって、機関通常運転時に上記電極間に印加される電圧の値が一定の値よりも大きくなったことをもって空燃比検出装置に異常が発生していると判定するようにしている。ところが、内燃機関に燃料が供給されていないとき（以下「フューエルカット時」という）には、排気ガス中の酸素濃度が一気に高くなる（略大気中の酸素濃度に近くなる）ので、空燃比検出装置に異常が発生していなくても、上記電極間に印加される電圧の値が一定の値よりも大きくなる。この場合、上述した特許文献１記載の空燃比検出装置の異常判定方法によれば、空燃比検出装置に異常が発生していると判定されるが、この判定結果は誤判定である可能性が高い。そこで、特許文献１では、フューエルカット時には、空燃比検出装置の異常の判定を行わないようにしている。
【０００４】
すなわち、特許文献１では、空燃比検出装置が正常に機能している場合、機関通常運転時には排気ガス中の酸素濃度が一定の濃度よりも小さくなっていることを前提として、空燃比検出装置の異常を判定し、排気ガス中の酸素濃度が一定の濃度よりも大きくなるフューエルカット時には、空燃比検出装置の異常判定を行わないようにしている。このように、フューエルカット時には、排気ガス中の酸素濃度が一気に大きくなるので、空燃比検出装置を正常に機能させるためには、空燃比検出装置に特別な制御を施す必要がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１７８８９６号公報
【特許文献２】
特開２００１−１４１６９６号公報
【特許文献３】
特開２００２−２０２２８５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するためのＮＯｘ濃度検出装置が知られている。こうしたＮＯｘ濃度検出装置として、排気ガス中の酸素を排除した後に、排気ガス中のＮＯｘを分解して酸素を新たに生成し、この新たに生成された酸素の濃度からＮＯｘ濃度を推定するようにしたものがある。こうしたＮＯｘ濃度検出装置においても、その機能に排気ガス中の酸素濃度が影響することから、これを正常に機能させるためには、特許文献１に関連して説明したように、フューエルカット時に、ＮＯｘ濃度検出装置に特別な制御を施す必要がある。
【０００７】
そして、このことは、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘ濃度検出装置に対してのみ当てはまるものではなく、一般的に、ガス中の特定成分の濃度を検出するための濃度検出装置であって、その機能がガス中の酸素濃度に影響を受けるものにも当てはまる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ガス中の特定成分の濃度を検出するための濃度検出装置において、フューエルカット時においても該濃度検出装置を正常に機能させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、１番目の発明では、ガス中の特定成分の濃度を該特定成分の分解時に生成される酸素の量に基づいて検出する濃度検出装置において、上記特定成分を分解して酸素を生成する酸素生成手段と、該酸素生成手段により酸素が生成される前にガス中の酸素を該ガスから排出する酸素排出手段と、上記酸素生成手段により酸素が生成される前のガス中の酸素濃度の上昇割合が予め定められた割合よりも大きくなるときに上記酸素排出手段の酸素排出能力を増大する酸素排出能力増大手段とを具備する。ここで、酸素生成手段、および、酸素排出手段は、後述する本発明の実施の形態において、それぞれ、センサセル、および、ポンプセル（または、ポンプセルとモニタセルの組合せ）に相当する。また、特定成分は、後述する本発明の実施の形態では、ＮＯｘまたはアンモニアまたはＳＯｘに相当する。
２番目の発明では、１番目の発明において、上記酸素排出手段の酸素排出能力が該酸素排出手段に印加される電圧の値に応じて変化し、上記酸素排出能力増大手段による上記酸素排出手段の酸素排出能力の増大後、上記酸素排出手段に印加される電圧の値がガス中の酸素濃度に応じて制御され、該酸素排出能力増大手段による酸素排出手段の酸素排出能力の増大後に上記酸素排出手段に印加される電圧の値に基づいて上記酸素排出能力増大手段による酸素排出手段の酸素排出能力の増大の程度が決定される。
３番目の発明では、１番目の発明において、上記酸素生成手段によって酸素が生成された後のガス中の酸素濃度に応じて発生する電流値に基づいてガス中の特定成分の濃度を算出する濃度算出手段と、上記酸素生成手段により酸素が生成される前のガス中の酸素濃度の上昇割合が予め定められた割合よりも大きくなるときに上記ガス中の酸素濃度に応じて発生する電流値に基づいて上記濃度算出手段における算出誤差を補正するための係数を算出する手段とを具備する。
４番目の発明では、１〜３番目の発明のいずれか１つにおいて、当該濃度検出装置が内燃機関から排出される排気ガスを通すための排気通路に配置されており、上記ガスが内燃機関から排出される排気ガスであり、内燃機関に燃料が供給されないときに上記酸素生成手段により酸素が生成される前のガス中の酸素濃度の上昇割合が予め定められた割合よりも大きくなる。
５番目の発明では、１〜４番目の発明のいずれか１つにおいて、上記特定成分が窒素酸化物またはアンモニアである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検出するためのＮＯｘセンサのセンサ部の構造を示している。以下の説明では、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するために内燃機関の排気管に取り付けられたＮＯｘセンサを例に、本実施形態のＮＯｘセンサについて説明する。
【００１１】
図１を参照すると、ＮＯｘセンサのセンサ部１は、互いに積層された酸素イオン伝導性固体（例えば、酸化ジルコニア）からなる６つの電解質層からなり、以下、これら６つの固体電解質層を、上から順に、第１層Ｌ１、第２層Ｌ２、第３層Ｌ３、第４層Ｌ４、第５層Ｌ５、第６層Ｌ６と称する。
【００１２】
第１層Ｌ１と第３層Ｌ３との間には、例えば、多孔質材料からなる（または、細孔が形成されている）第１の拡散律速部材２と第２の拡散律速部材３とが配置されている。これら拡散律速部材２，３間には、第１室４が形成されている。第２の拡散律速部材３と第２層Ｌ２との間には、第２室５が形成されている。また、第３層Ｌ３と第５層Ｌ５との間には、外気に連通している大気室６が形成されている。一方、第１の拡散律速部材２の外側の面は排気ガスと接触する。したがって、排気ガスは、第１の拡散律速部材２を介して第１室４内に流入し、第１室４内は、排気ガスで満たされる。
【００１３】
一方、第１室４に面する第１層Ｌ１の内周面上には、陰極側第１ポンプ電極７が形成されている。また、第１層Ｌ１の外周面上には、陽極側第１ポンプ電極８が形成されている。これら第１ポンプ電極７，８間には、第１ポンプ電圧源９により電圧が印加される。第１ポンプ電極７，８間に電圧が印加されると、第１室４内の排気ガス中に含まれている酸素が、陰極側第１ポンプ電極７と接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、第１層Ｌ１内を陽極側第１ポンプ電極８に向かって流れる。したがって、第１室４内の排気ガス中に含まれている酸素は、第１層Ｌ１内を移動して外部に汲み出されることになる。このとき、外部に汲み出される酸素量は、第１ポンプ電圧源９の電圧が高くなるほど多くなる。
【００１４】
一方、大気室６に面する第３層Ｌ３の壁面上には、基準電極１０が形成されている。ところで、酸素イオン伝導性固体電解質では、固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると、酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図１に示されている例では、大気室６内の酸素濃度のほうが第１室４内の酸素濃度よりも高いので、大気室６内の酸素は基準電極１０と接触することによって電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは、第３層Ｌ３、第２層Ｌ２、および、第１層Ｌ１内を移動し、陰極側第１ポンプ電極７において電荷を放出する。その結果、基準電極１０と陰極側第１ポンプ電極７との間に、符号１１で示した電圧Ｖ０が発生する。この電圧Ｖ０は、大気室６内と第１室４内との酸素濃度差に比例する。
【００１５】
また、図１に示されている例では、電圧Ｖ０が第１室４内の酸素濃度が１ｐ．ｐ．ｍ．（この値は単なる例示であり、例えば、数ｐ．ｐ．ｍ．〜数十ｐ．ｐ．ｍ．の間の値であってもよい）のときに生ずる電圧に一致するように、第１ポンプ電圧源９の電圧がフィードバック制御される。すなわち、第１室４内の酸素は、第１室４内の酸素濃度が１ｐ．ｐ．ｍ．となるように、第１層Ｌ１を通って汲み出され、それによって、第１室４内の酸素濃度が１ｐ．ｐ．ｍ．に維持される。
【００１６】
なお、陰極側第１ポンプ電極７は、ＮＯｘに対しては還元性の低い材料（例えば、金（Ａｕ）と白金（Ｐｔ）との合金）から形成されており、したがって、排気ガス中に含まれているＮＯｘは、第１室４内ではほとんど還元されない。したがって、このＮＯｘは第２の拡散律速部材３を通って第２室５内に流入する。
【００１７】
一方、第２室５に面する第１層Ｌ１の内周面上には、陰極側第２ポンプ電極１２が形成されている。陰極側第２ポンプ電極１２と陽極側第１ポンプ電極８との間には、第２ポンプ電圧源１３によって電圧が印加される。これらポンプ電極１２，８間に電圧が印加されると、第２室５内の排気ガス中に含まれている酸素が、陰極側第２ポンプ電極１２と接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、第１層Ｌ１内を陽極側第１ポンプ電極８に向かって移動する。したがって、第２室５内の排気ガス中に含まれている酸素は、第１層Ｌ１内を移動して外部に汲み出されることになる。このときに外部に汲み出される酸素量は、第２ポンプ電圧源１３の電圧が高くなるほど多くなる。また、このとき、陰極側第２ポンプ電極１２と陽極側第１ポンプ電極８との間には、この酸素イオン量に比例した符号１４で示した電流Ｉｍが流れる。
【００１８】
一方、上述したように、酸素イオン伝導性固体電解質では、固体電解質層の両側において酸素濃度に差があると、酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動する。図１に示されている例では、大気室６内の酸素濃度のほうが第２室５内の酸素濃度よりも高いので、大気室６内の酸素は、基準電極１０と接触することによって電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは、第３層Ｌ３、第２層Ｌ２、および、第１層Ｌ１内を移動し、陰極側第２ポンプ電極１２において電荷を放出する。その結果、基準電極１０と陰極側第２ポンプ電極１２との間に、符号１５で示した電圧Ｖ１が発生する。この電圧Ｖ１は、大気室６内と第２室５内との酸素濃度差に比例する。
【００１９】
図１に示されている例では、電圧Ｖ１が第２室５内の酸素濃度が０．０１ｐ．ｐ．ｍ．（この値は単なる例示であって、別の値でもよい）のときに生ずる電圧に一致するように、第２ポンプ電圧源１３の電圧がフィードバック制御される。すなわち、第２室５内の酸素は、第２室５内の酸素濃度が０．０１ｐ．ｐ．ｍ．となるように、第１層Ｌ１を通って汲み出され、それによって、第２室５内の酸素濃度が０．０１ｐ．ｐ．ｍ．に維持される。
【００２０】
なお、陰極側第２ポンプ電極１２もＮＯｘに対しては還元性の低い材料（例えば、金（Ａｕ）と白金（Ｐｔ）との合金）から形成されており、したがって、排気ガス中に含まれているＮＯｘは、陰極側第２ポンプ電極１２と接触してもほとんど還元されない。
【００２１】
一方、第２室５に面する第３層Ｌ３の壁面上には、ＮＯｘ検出用の陰極側ポンプ電極１６が形成されている。陰極側ポンプ電極１６は、ＮＯｘに対して強い還元性を有する材料（例えば、ロジウム（Ｒｈ）や白金（Ｐｔ））から形成されている。したがって、第２室５内のＮＯｘ（実際には、大部分を占めるＮＯ）が、陰極側ポンプ電極１６上において、Ｎ２とＯ２とに分解される。図１に示されているように、陰極側ポンプ電極１６と基準電極１０との間には、一定電圧１７が印加されており、したがって、陰極側ポンプ電極１６上において分解生成されたＯ２は、酸素イオンとなって第３層Ｌ３内を基準電極１０に向かって移動する。このとき、陰極側ポンプ電極１６と基準電極１０との間には、この酸素イオン量に比例した符号１８で示した電流Ｉｓが流れる。
【００２２】
一方、排気ガス中に含まれているアンモニア（ＮＨ３）は、第１室４内においてＮＯとＨ２Ｏとに分解され（４ＮＨ３＋５Ｏ２→４ＮＯ＋６Ｈ２Ｏ）、この分解されたＮＯは、第２の拡散律速部材３を通って第２室５内に流入する。このＮＯは、陰極側ポンプ電極１６上において、Ｎ２とＯ２とに分解され、分解生成されたＯ２は、酸素イオンとなって第３層Ｌ３内を基準電極１０に向けて移動する。このときにも、電流Ｉｓは排気ガス中に含まれているＮＨ３濃度に比例し、斯くして、電流Ｉｓから排気ガス中のＮＨ３濃度を検出できることになる。図２は、電流Ｉｓと排気ガス中のＮＯｘ濃度およびＮＨ３濃度との関係を示している。図２から、電流Ｉｓは排気ガス中のＮＯｘ濃度およびＮＨ３濃度に比例していることが判る。
【００２３】
一方、排気ガス中の酸素濃度が高いほど（すなわち、空燃比がリーンであるほど）、第１室４から外部に汲み出される酸素量が多くなり、符号１９で示した電流Ｉｐが増大する。したがって、この電流Ｉｐから排気ガスの空燃比を検出することができる。
【００２４】
なお、第５層Ｌ５と第６層Ｌ６との間には、ＮＯｘセンサのセンサ部を加熱するための電気ヒータ２０が配置されている。この電気ヒータ２０によってＮＯｘセンサのセンサ部は、７００℃から８００℃に加熱される。
【００２５】
次に、本実施形態におけるＮＯｘ濃度検出（算出）方法について説明する。上述したように、符号１８で示した電流Ｉｓは、陰極側ポンプ電極１６上においてＮＯｘから分解生成されたＯ２が酸素イオンとなって陰極側ポンプ電極１６と基準電極１０との間を流れたときのこの酸素イオン量に比例した値をとる。したがって、概して言えば、電流Ｉｓは、陰極側ポンプ電極１６上においてＮＯｘから分解生成せしめられた酸素の濃度に比例した値となる。すなわち、電流Ｉｓは、第２室５内のＮＯｘ濃度に比例した値となる。したがって、この電流Ｉｓの値から第２室５内のＮＯｘ濃度（すなわち、排気ガス中のＮＯｘ濃度）を知ることができるはずである。
【００２６】
ところが、厳密に言えば、陰極側ポンプ電極１６と基準電極１０との間を流れる酸素イオンには、外部に汲み出されずに排気ガス中の残った酸素から陰極側ポンプ電極１６により生成されて該陰極側ポンプ電極１６と基準電極１０との間を流れる酸素イオンも含まれている。したがって、電流Ｉｓには、第２室５内のＮＯｘから生成される酸素イオン量に起因する電流と、第２室５内に元々存在した酸素から生成される酸素イオン量に起因する電流とが含まれていることになる。
【００２７】
ここで、上述したように、符号１４で示した電流Ｉｍは、陰極側第２ポンプ電極１２と接触して生成されて陰極側第２ポンプ電極と陽極側第１ポンプ電極８との間を流れた酸素イオン量に比例した値であるので、電流Ｉｍは、第２室５内に元々存在した酸素から生成される酸素イオン量に起因する電流に相当する。
【００２８】
このように、電流Ｉｓに、第２室５内のＮＯｘに起因する電流と第２室５内に元々存在した酸素に起因する電流とが含まれ、一方、電流Ｉｍに、第２室５内に元々存在した酸素に起因する電流が含まれていることから、次式（１）に示したように、電流Ｉｓから電流Ｉｍを差し引いた値Ｉｎが第２室５内のＮＯｘ濃度に比例した値をとるはずである。
Ｉｎ＝Ｉｓ−Ｉｍ      …（１）
【００２９】
ところが、さらに厳密に言えば、陰極側ポンプ電極１６と基準電極１０とから構成され電流Ｉｓを出力する手段を「センサセル」と称すると、該センサセルには、それ固有の出力誤差がある。そこで、本発明のＮＯｘ濃度算出方法の第１の実施形態では、次式（２）に従って、ＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］を算出する。
［ＮＯｘ］＝（Ｉｓ−Ｉｍ）×Ｋ−Ｋｏｆｆ    …（２）
ここで、Ｋは、センサセルから出力される電流（以下「センサ電流」という）の値Ｉｓからモニタセル（すなわち、陰極側第２ポンプ電極と陽極側第１ポンプ電極８とから構成され電流Ｉｍを出力する手段）から出力される電流（以下「モニタ電流」という）の値Ｉｍを差し引いた値Ｉｓ−ＩｍをＮＯｘ濃度に換算するための係数であり、Ｋｏｆｆは、センサセル固有の出力誤差を補正するための係数（以下「出力誤差補正係数」ともいう）である。
この式（２）に従えば、係数ＫおよびＫｏｆｆが適切な値となっている限り、排気ガス中のＮＯｘ濃度を正確に算出（検出）することができる。
【００３０】
ところで、センサセルの出力特性とモニタセルの出力特性とが、これらのサイズやこれらを構成する材料の種類等に起因して異なっていることがある。このようにセンサセルとモニタセルとの間で出力特性に違いがあると、上式（２）に従って算出される値Ｉｎが排気ガス中のＮＯｘ濃度に比例した値にならないこともある。
【００３１】
そこで、本発明のＮＯｘ濃度算出方法の第２の実施形態では、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとに基づいて、次式（３）に従って、ＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］を算出する。
［ＮＯｘ］＝（Ｉｓ−Ｉｍ×Ｋ３−Ｋ２）×Ｋ１    …（３）
ここで、Ｋ３は、モニタセルの出力特性を補正してセンサセルの出力特性に合わせるための係数である。また、Ｋ２は、係数Ｋ３によって補正された後のモニタセルの出力特性をセンサセルの出力特性に合わせるための係数である。すなわち、モニタセル電流Ｉｍに係数Ｋ３を乗ずることでは、モニタセルの出力特性をセンサセルの出力特性に完全に合わせることができないので、係数Ｋ２は、係数Ｋ３によって合わせられないモニタセルの出力特性とセンサセルの出力特性とのずれを補正するものである。また、Ｋ１は、値Ｉｓ−Ｉｍ×Ｋ３−Ｋ２をＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］に変換するための係数である。
この式（３）に従えば、係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３が適切な値となっている限り、排気ガス中のＮＯｘ濃度を正確に算出（検出）することができる。
【００３２】
ところで、上述したＮＯｘセンサにおいて、陰極側第１ポンプ電極７と陽極側第１ポンプ電極８によって構成されて排気ガスから酸素を外部に放出する手段を「ポンプセル」と称したとき、ポンプセルは、ＮＯｘセンサに到来する排気ガスから酸素を外部に放出する働きをする。ここで、内燃機関の燃焼室への燃料の供給が停止されると、燃焼室から排出されてＮＯｘセンサに到来する排気ガス中の酸素濃度は、内燃機関が通常の運転状態にあるとき（すなわち、燃焼室への燃料の供給が停止されている運転状態以外の状態にあるとき）のそれよりも一気に大きくなる。より具体的には、このときにＮＯｘセンサに到来する排気ガス中の酸素濃度は、略大気中の酸素濃度となる。したがって、このときに、第１室４内の酸素濃度を１ｐ．ｐ．ｍ．に維持しておくためには、第１ポンプ電圧源９の電圧（以下「ポンプ電圧」と称し、「Ｖｐ」を付す）を一気に高くする必要がある。
【００３３】
ところが、上述したように、ポンプ電圧Ｖｐは、符号１１で示した電圧Ｖ０に応じてフィードバック制御され、このフィードバック制御には、一定の制御遅れがあるので、ＮＯｘセンサに到来する排気ガス中の酸素濃度が一気に大きくなったとしても、ポンプ電圧Ｖｐは徐々にしか大きくならない。この場合、一定の期間中は、第１室４内の酸素濃度は１ｐ．ｐ．ｍ．に維持されないことになり、したがって、最終的にセンサセルの出力電流Ｉｓに基づいて算出（検出）されるＮＯｘ濃度は真の値（燃焼室への燃料供給が停止されているときには、排気ガス中のＮＯｘ濃度は略零であるので、より具体的には、ここでの真の値とは、「零」のことである）ではなくなってしまう。
【００３４】
すなわち、この場合、モニタ電流Ｉｍおよびセンサ電流Ｉｓは、時間の経過とともに、例えば、図３（Ａ）に示したように推移し、上式（２）または（３）から算出されるＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］は、時間の経過とともに、図３（Ｂ）に示したように推移する。すなわち、図３（Ａ）（横軸ｔは時間であり、縦軸Ｉは電流値を示し、実線Ｉｓがセンサ電流の推移を示し、一点鎖線Ｉｍがモニタ電流を示している）に示した例では、時刻ｔｆｃにおいて燃焼室への燃料供給が停止される（以下、燃焼室への燃料供給が停止されることを「フューエルカット」ともいい、燃焼室への燃料供給が停止されているときを「フューエルカット時」ともいう）のであるが、時刻ｔｆｃにおいて燃焼室への燃料供給が停止されると、センサ電流Ｉｓが一気に上昇する。しかしながら、モニタセルとセンサセルとではその応答性や感受性やその周りのガス流（取付位置に起因する）などが異なるので、モニタ電流Ｉｍはセンサ電流Ｉｓと全く同様には上昇しない。このため、図３（Ｂ）（横軸ｔは図３（Ａ）の横軸と同じく時間であり、縦軸［ＮＯｘ］は上式（２）または（３）から算出されるＮＯｘ濃度であり、実線がＮＯｘ濃度の推移を示している）に示したように、時刻ｔｆｃにおいて燃焼室への燃料供給が停止されると、算出されるＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］は大きく上昇する。本来、フューエルカット時には、排気ガス中のＮＯｘ濃度は略零であるので、フューエルカットの開始後に算出されるＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］は真の値を示していないことになる。
【００３５】
さらに、図３（Ａ）に示した例では、フューエルカットが開始されてから一定の時間が経過すると、モニタ電流Ｉｍが一気に上昇し、高い値のまま安定するが、これに反して、センサ電流Ｉｓは徐々に低下する。このため、図３（Ｂ）に示したように、算出されるＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］は一気に低下して零を下回ってしまう。この場合にも、算出されるＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］は真の値を示していないことになる。そして、フューエルカットが開始されてから比較的長い時間が経過すると、センサ電流Ｉｓおよびモニタ電流Ｉｍが共に小さい値で安定し、算出されるＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］が略零となる。
【００３６】
このように、フューエルカットが開始された後においても通常と同じようにしてＮＯｘ濃度を算出していると、算出されるＮＯｘ濃度は真の値を示していないことになる。したがって、フューエルカット時に排気ガス中のＮＯｘ濃度を正確に算出（検出）するためには、ＮＯｘセンサに対して特別な制御を行う必要がある。そこで、本実施形態では、フューエルカット時には、以下のような特別な制御（以下「フューエルカット時制御」という）を行う。
【００３７】
すなわち、フューエルカット時には、ポンプ電圧Ｖｐを一気に大きくすれば、ポンプセルによって排気ガスから汲み出される酸素の量が多くなり、第１室４内の酸素濃度を一気に低下させることができる。そこで、本発明のフューエルカット時制御の第１の実施形態では、フューエルカットが開始されたときに、ポンプ電圧Ｖｐの値を予め定められた値（これは、大気中の酸素濃度に略等しい濃度の酸素を含んだ排気ガス中の酸素濃度を１ｐ．ｐ．ｍ．にまで一気に低下させることができる値であって、以下「所定ポンプ電圧値」といい、この値の設定方法については後述する）にまで一気に増大させる。これによれば、フューエルカットが開始されたとしても、それと同時に（あるいは、その後、即座に）、第１室４内の酸素濃度が１ｐ．ｐ．ｍ．に維持されるので、ＮＯｘ濃度を正確に算出（検出）することができる。なお、ポンプ電圧Ｖｐを上記所定ポンプ電圧値にまで上昇した直後（あるいは、その後、一定の時間が経過した後）には、ポンプ電圧Ｖｐは、第１室４内の酸素濃度が１ｐ．ｐ．ｍ．に維持されるように、符号１１で示した電圧Ｖ０に応じてフィードバック制御される。
【００３８】
また、本発明のフューエルカット時制御の第２の実施形態では、フューエルカットが開始されると予想されたときに、ポンプ電圧Ｖｐの値を予め定められた値（これも上記所定ポンプ電圧値と同じ値であって、同様に「所定ポンプ電圧値」という）にまで一気に増大させる。これによっても、フューエルカットが開始されたとしても、それと同時（あるいは、その後、即座に）、第１室４内の酸素濃度が１ｐ．ｐ．ｍ．に維持されるので、ＮＯｘ濃度を正確に算出（検出）することができる。もちろん、この場合にも、ポンプ電圧Ｖｐを上記所定ポンプ電圧値にまで上昇した直後（あるいは、その後、一定の時間が経過した後）には、ポンプ電圧Ｖｐは、第１室４内の酸素濃度が１ｐ．ｐ．ｍ．に維持されるように、符号１１で示した電圧Ｖ０に応じてフィードバック制御される。
【００３９】
ところで、上述したように、上式（２）において、係数Ｋｏｆｆは、センサセル固有の出力誤差に起因する誤差を補正するための係数である。ここで、フューエルカット時にＮＯｘセンサに到来する排気ガス中のＮＯｘ濃度は、零であるので、上式（２）において、係数Ｋｏｆｆが適切な値となっていれば、（Ｉｓ−Ｉｍ）×Ｋ−Ｋｏｆｆ＝０となるはずである。言い換えれば、（Ｉｓ−Ｉｍ）×Ｋ−Ｋｏｆｆの値が零以外の値となっていれば、その値が真の出力誤差補正係数である。すなわち、フューエルカット時に上式（２）に従ってＮＯｘセンサから出力される値［ＮＯｘ］が、センサセル固有の出力誤差に起因する誤差である。
【００４０】
そこで、本実施形態では、フューエルカット時（好ましくは、フューエルカット時であって、センサセル電流Ｉｓの値の変動が一定の範囲内に収まったとき（好ましくは、略零となったとき））に上式（２）に従って算出される値［ＮＯｘ］を、新たな出力誤差補正係数Ｋｏｆｆとする。すなわち、本実施形態では、出力誤差補正係数Ｋｏｆｆは、フューエルカットが行われる毎に学習されることになる。これによれば、ＮＯｘ濃度を正確に算出（検出）することができる。
【００４１】
ところで、本実施形態では、フューエルカット時においても、第１室４内の酸素濃度は１ｐ．ｐ．ｍ．に維持される。言い換えれば、このときのポンプ電圧Ｖｐは、フューエルカット時において第１室４内の酸素濃度を１ｐ．ｐ．ｍ．に維持することができるポンプ電圧の値である。さらに別の云い方をすれば、フューエルカット時において第１室４内の酸素濃度が１ｐ．ｐ．ｍ．に維持されているときのポンプ電圧Ｖｐの値が、上述した予め定められた値（すなわち、フューエルカット時に達成されるべきポンプ電圧の値）に相当する。
【００４２】
そこで、本実施形態では、フューエルカット時（好ましくは、フューエルカット時であって、モニタ電流Ｉｍの値の変動が一定の範囲内に収まったとき（好ましくは、略零となったとき））のポンプ電圧Ｖｐを、新たな所定ポンプ電圧値とする。すなわち、本実施形態では、上記所定ポンプ電圧値は、フューエルカットが行われる毎に学習されることになる。これによれば、ＮＯｘ濃度を正確に算出（検出）することができる。
【００４３】
図４は、本発明に従ってＮＯｘ濃度を算出（検出）するための制御のフローチャートの一例を示している。図４のフローチャートでは、始めに、ステップ１０において、フューエルカットフラグＦｆｃがセットされている（Ｆｆｃ＝１）か否かが判別される。ここで、フューエルカットフラグＦｆｃは、フューエルカットを行うべきであると判断されたときにセットされ、フューエルカットを終了すべきであると判断されたときにリセットされる（Ｆｆｃ＝０）フラグである。
【００４４】
ステップ１０において、Ｆｆｃ＝０であると判別されたときには、ルーチンは、ステップ１７に進んで、上式（３）に従って、ＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］が算出される。一方、ステップ１０において、Ｆｆｃ＝１であると判別されたときには、ルーチンは、ステップ１１に進み、ポンプ電圧Ｖｐが上記所定ポンプ電圧Ｖｐｆｃにまで上昇せしめられる。次いで、ステップ１２において、フューエルカットの実行を許可する信号Ｓｆｃが発信される。すなわち、この例では、ポンプ電圧Ｖｐが上記所定ポンプ電圧Ｖｐｆｃにまで上昇せしめられてから、フューエルカットが行われる。次いで、ルーチンは、ステップ１３とステップ１５に進む。
【００４５】
ステップ１３では、前回のセンサ電流値Ｉｓｎからの今回のセンサ電流値Ｉｓｎ＋１の変動が、一定の範囲内に収まっている（｜Ｉｓｎ−Ｉｓｎ＋１｜＜α）か否かが判別される。もちろん、ここで、前回のセンサ電流値Ｉｓｎからの今回のセンサ電流値Ｉｓｎ＋１の変動が、略零である（｜Ｉｓｎ−Ｉｓｎ＋１｜≒零）か否かが判別されてもよい。ステップ１３において、｜Ｉｓｎ−Ｉｓｎ＋１｜＜αであると判別されたときには、ルーチンは、ステップ１４に進んで、出力誤差補正係数Ｋｏｆｆが算出される。具体的には、このときにＮＯｘセンサから出力される値が出力誤差補正係数Ｋｏｆｆとされる。一方、ステップ１３において、｜Ｉｓｎ−Ｉｓｎ＋１｜≧αであると判別されたときには、ルーチンは、そのまま終了する。
【００４６】
一方、ステップ１５では、前回のポンプ電流値Ｉｐｎからの今回のポンプ電流値Ｉｐｎ＋１の変動が、一定の範囲内に収まっている（｜Ｉｐｎ−Ｉｐｎ＋１｜＜β）か否かが判別される。もちろん、ここで、前回のポンプ電流値Ｉｐｎからの今回のポンプ電流値Ｉｐｎ＋１の変動が、略零である（｜Ｉｐｎ−Ｉｐｎ＋１｜≒０）か否かが判別されてもよい。ステップ１５において、｜Ｉｐｎ−Ｉｐｎ＋１｜＜βであると判別されたときには、ルーチンは、ステップ１６に進んで、上記所定ポンプ電圧値Ｖｐｆｃが算出される。具体的には、このときのポンプ電圧値Ｖｐが所定ポンプ電圧値Ｖｐｆｃとされる。一方、ステップ１５において、｜Ｉｐｎ−Ｉｐｎ＋１｜≧βであると判別されたときには、ルーチンは、そのまま終了する。
【００４７】
なお、上述では、ポンプセル、モニタセル、および、センサセルといった３つのセルを具備するＮＯｘセンサに関連して、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、ポンプセル、および、センサセルといった２つのセルのみを具備するＮＯｘセンサにも適用可能である。
【００４８】
また、本発明は、ＮＯｘ濃度を検出する場合だけでなく、アンモニア濃度を算出（検出）する場合にも適用可能である。また、本発明は、センサセル電流Ｉｓに基づいて、排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）濃度を算出（検出）する場合にも適用可能である。したがって、より一般的に表現すれば、本発明は、特定成分の濃度を該特定成分の分解時に生成される酸素の量に基づいて検出するものに適用可能である。
【００４９】
また、上述した実施形態では、フューエルカットが開始されたとき（あるいは、フューエルカットが開始されると予想されたとき）に、上記フューエルカット時制御を実行しているが、より一般的には、排気ガス中の酸素濃度が大きく上昇したとき（あるいは、排気ガス中の酸素濃度が大きく上昇すると予想されたとき）に、上記フューエルカット時制御を実行するようにしてもよい。したがって、より一般的に表現すれば、本発明は、排気ガス中の酸素濃度の上昇割合が予め定められた割合よりも大きくなったとき（あるいは、排気ガス中の酸素濃度の上昇割合が予め定められた割合よりも大きくなると予想されたとき）に、上記フューエルカット時制御を実行するものとも言える。
【００５０】
また、ポンプ電圧Ｖｐの値を所定ポンプ電圧値Ｖｐｆｃにまで上昇する操作は、ＮＯｘセンサにおける排気ガスからの酸素排出能力を増大する操作であると言える。したがって、より一般的に表現すれば、本発明は、フューエルカット時にＮＯｘセンサにおける排気ガスからの酸素排出能力を増大するものとも言える。
【００５１】
また、本発明は、図５に示したようなセンサ部１を備えたＮＯｘセンサにも同様に適用可能である。すなわち、図５に示したセンサ部１は、図１に示したセンサ部と同様に、互いに積層された酸素イオン伝導性固体からなる６つの電解質層Ｌ１〜Ｌ６を有する。そして、図１に示した例と同様に、第１層Ｌ１と第３層Ｌ３との間には、第１の拡散律速部材２と第２の拡散律速部材３とが配置され、第１室４と第２室５とが形成されている。また、図１に示した例と同様に、第３層Ｌ３と第５層Ｌ５との間には、大気室６が形成されている。そして、図１に示した例と同様に、第１層Ｌ１の内周面上に陰極側第１ポンプ電極７が形成され、第１層Ｌ１の外周面上に陽極側第１ポンプ電極８が形成され、これら電極７，８間には、第１ポンプ電圧源９により電圧が印加される。これら電極７，８間に第１ポンプ電圧源９により電圧が印加されると、第１室４内の酸素が第１層Ｌ１を介して外部に汲み出され、このとき、汲み出される酸素の量に比例した符号１９で示した限界電流Ｉｐが流れる。図５に示した例では、限界電流Ｉｐに基づいて電圧源９の電圧値がフィードバック制御される。
【００５２】
また、第２室５に面する第１層Ｌ１の内周面上に陰極側第２ポンプ電極１２が形成され、第１層Ｌ１の外周面上に陽極側第２ポンプ電極８０が形成され、これら電極１２，８０間には、第２ポンプ電圧源１３により電圧が印加される。これら電極１２，８０間に第２ポンプ電圧源１３により電圧が印加されると、第２室５内の酸素が第１層Ｌ１を介して外部に汲み出され、このとき、汲み出される酸素の量に比例した符号１４で示した限界電流Ｉｍが流れる。すなわち、限界電流Ｉｍは、第２室５内の酸素濃度を示していることになる。
【００５３】
また、図１に示した例と同様に、大気室６に面する第３層Ｌ３の壁面上に陽極側電極１０が形成され、第２室５に面する第３層Ｌ３の壁面上に陰極側ポンプ電極１６が形成され、これら電極１０，１６間には、電圧源１７により電圧が印加される。これら電極１０，１６間に電圧源１７により電圧が印加されると、陰極側ポンプ電極１６上にてＮＯｘが窒素（Ｎ２）と酸素（Ｏ２）とに分解される共に、こうして分解生成された酸素およびもともと第２室５内にある酸素が第３層Ｌ３を介して外部（大気室６）へと汲み出される。このとき、汲み出される酸素の量に比例した符号１８で示した限界電流Ｉｓが流れる。すなわち、限界電流Ｉｓは、第２室５内にもともと存在した酸素とＮＯｘから分解生成された酸素とをトータルした総酸素の濃度を示していることになる。したがって、図５に示した例では、限界電流Ｉｓから限界電流Ｉｍを差し引いた値が排気ガス中のＮＯｘ濃度を示していることになる。
【００５４】
【発明の効果】
ガス中の酸素を排出する酸素排出手段を備えた濃度検出装置において、ガス中の酸素濃度が一気に高くなったときに酸素排出手段による酸素排出能力が増大されずに一定であると、酸素排出手段によりガスから酸素が排出されたとしても、ガス中の酸素濃度は高いままである。ここで、濃度検出装置が特定成分の分解時に生成される酸素の量に基づいて特定成分の濃度を検出するようになっている場合、酸素排出手段により酸素が排出された後のガス中の酸素濃度が高いと、検出される特定成分の濃度が真の値となるとは限らない。これに対し、本発明では、ガス中の酸素濃度の上昇割合が予め定められた割合よりも大きくなるときには、酸素排出手段による酸素排出能力が増大せしめられる。したがって、本発明によれば、検出される特定成分の濃度が真の値を示す。すなわち、フューエルカット時に濃度検出装置を正常に機能させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のＮＯｘセンサのセンサ部を示す図である。
【図２】ＮＯｘ濃度およびアンモニア濃度と、センサ電流Ｉｓとの関係を示す図である。
【図３】（Ａ）はフューエルカットの開始後におけるセンサ電流Ｉｓおよびモニタ電流Ｉｍの推移を示す図であり、（Ｂ）は同フューエルカットの開始後に算出されるＮＯｘ濃度［ＮＯｘ］の推移を示す図である。
【図４】本発明に従ったＮＯｘ濃度検出（算出）制御のフローチャートの一例を示す図である。
【図５】図１に示したセンサ部とは別の構成のセンサ部を示す図である。
【符号の説明】
１…ＮＯｘセンサのセンサ部
４…第１室
５…第２室
７…陰極側第１ポンプ電極
８…陽極側第１ポンプ電極
１０…基準電極
１４…モニタ電流
１６…ＮＯｘ検出用の陰極側ポンプ電極
１８…センサ電流
１９…ポンプ電流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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